Untersuchung von Bienenstöcken

In Zusammenarbeit mit Dr. Martin Wörner, einem Mitglied im Landesverband saarländischer Imker, wurde ein „Jugend forscht“-Projekt zur Untersuchung von Bienenstöcken auf Gase, Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck entwickelt. Schülerinnen und Schülern wird dabei die Möglichkeit geboten, an einem authentischen und hochaktuellen Kontext wissenschaftlich zu arbeiten, indem Daten aufgenommen, ausgewertet und interpretiert werden müssen.

Als experimentelle Basis dienen Messkammern mit Metalloxid-Halbleiter- und Infrarot-Gassensoren, die in einem Stock mit Bienenstaat und, als Referenz, in einem leeren Bienenstock platziert werden. Über einen längeren Zeitraum werden Messdaten an den Online-Datenbank-Service von "ThingSpeak" geschickt und dort gespeichert. Anschließend können die Daten heruntergeladen und analysiert werden.  Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 1 zu sehen.

Abb. 1: Links: Bienenkästen und leere Kontrollästen. Rechts: Luftqualitätssensoren, die an einem Bienenrahmen befestigt sind.

Das System läuft seit April 2019 kontinuierlich. In den Abbildungen 2 und 3 sind Live-Messdaten der Temperatur, der CO₂-Konzentration und der TVOC-Konzentration innerhalb des Bienenstocks ohne (oben) und mit Bienen (unten) zu sehen.

Der Temperaturverlauf in dem Bienenkorb ohne Bienen folgt dem normalen Tag-Nacht-Rhythmus, wobei sich das Innere aufgrund von direkter Sonneneinstrahlung tagsüber stark aufheizt. Der Temperaturverlauf im Bienenkorb mit Bienen bleibt hingegen durchweg relativ konstant bei etwa 33-34°C. Diese Beobachtung stimmt auch mit vorherigen Untersuchungen überein.

Abb. 3: Live-Verlauf der TVOC-Konzentration in einem Bienenstock ohne (oben) und mit (unten) Bienen. (gemittelte Daten)

Ein Vergleich der TVOC-Konzentration mit und ohne Bienen, siehe Abbildung 4, zeigt jeweils einen periodischen Verlauf in einem 24 Stunden Rhythmus. Die Konzentration innerhalb des Bienenstocks mit Bienen ist um ca. 800-1000 ppb erhöht. Außerdem sind beide Verläufe um ca. 12 Stunden phasenversetzt. Während die TVOC-Konzentration im Stock ohne Bienen am Tag ansteigt, fällt sie im Korb mit Bienen tagsüber und steigt nachts wieder an. Dies kann zum einen durch die größere Zahl der Bienen in der Nacht bzw. auch durch eine verstärkte Ventilation durch Flügelschlagen tagsüber erklärt werden.
Auf der anderen Seite sorgt die erhöhte Temperatur tagsüber dafür, dass vermehrt flüchtige organische Verbindungen aus den Holzkästen ausdunsten, was zu einer Erhöhung der TVOC-Konzentration in dem Korb ohne Bienen führt.

Abb. 4: Temperaturverlauf (links) und TVOC-Verlauf (rechts) in Bienenstöcken mit (blau) und ohne (orange) Bienen.

Aktives Einleiten von CO₂

Nach Seeley [1] besitzen Bienen CO₂ Rezeptoren, und sind in der Lage verschiedene CO₂ Konzentration zu unterscheiden. CO₂ fungiere dabei einerseits als Indikator für die Abwesenheit von Sauerstoff, und ist andererseits verantwortlich, um den Ezymkomplex Succinatdehydrogenase des Citratzyklus signifikant zu hemmen.

Außerdem seien die physiologischen Probleme der optimalen Aufrechterhaltung des pH-Wertes un der Wasserretetion in einer Umgebung mit höherer CO₂-Konzentration größer.

Abb. 5: Versuchsaufbau. Reines CO₂ aus einer Gasflasche über einen, mit Löchern versehenden, Schlauch in den Bienenstock geleitet.

Um die Ergebnisse der Studie zu reproduzieren, und dabei den Einfluss der Temperatur auszuschließen, wurde aktiv CO₂, mit unterschiedlichen Flussdichten von außen in den Bienenstock eingelassen, siehe Abbildung 5. Um die Bienen nicht zu gefährden wurde darauf geachtet, dass die CO₂-Konzentration einen Wert von 4% nicht überschreitet.

Abb. 6: Verlauf der CO₂-Konzentration bei aktivem Einleiten von CO₂ mit einem Fluss von 0,5 Liter pro Minute.

Abb. 7: Oben: Verlauf der CO₂-Konzentration bei aktivem Einleiten von CO₂mit einem Fluss von 5 Liter pro Minute. Unten: Aufnahme der Reaktion der Bienen. Wenige stellen sich an den Rand des Bienenstocks, um eine bessere Lüftung zu erzielen.

In Abbildung 6 und 7 ist jeweils der Verlauf der CO₂-Konzentration über einen Zeitraum von 220 Sekunden aufgetragen. Zu Beginn jeder Kurve wurde die Flussdichte erhöht.

Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass Bienen auf das CO₂reagieren, und ihre Lüftungsrate solange anpassen, bis eine Konzentration von etwa 15-20.000 ppm erreicht wird. Erst ab einer Flussdichte von 12 Liter pro Minute können die Bienen die CO₂-Konzentration nicht mehr regulieren (Abbildung 8).

Abb. 8: Oben: Verlauf der CO₂-Konzentration bei aktivem Einleiten von CO₂mit einem Fluss von 12 Liter pro Minute. Unten: Aufnahme der Reaktion der Bienen. Viele stellen sich an den Rand des Bienenstocks, um eine bessere Lüftung zu erzielen.

Ein Vergleich zwischen den Videoaufnahmen zeigt, dass abhängig von der Flussdichte immer mehr Bienen versuchen eine Lüftung zu erzielen, indem sie sich an die Ausgange des Bienenstocks setzen.

Alle Daten

Falls Sie sich für weitere Messdaten interessieren, so können Sie sie unter den beiden folgenden Links einsehen:

• Messdaten mit Bienen
• Messdaten ohne Bienen

Literatur

[1] Seeley T.D. (1974); ATMOSPHERIC CARBON DIOXIDE REGULATION IN HONEY-BEE (APIS MELLIFERA) COLONIES*; J. Insect Physiol., 1974, Vol. 20, pp. 2301 to 2305